חוקרים יצרו צואה מלאכותית ועקבו אחריה.

הגשמים הרבים שירדו במהלך החודשיים האחרונים והעלייה במפלס הכנרת שבאה אחריהם אולי השכיחו את העובדה שבעשור האחרון ישראל סבלה מחמש שנות בצורת רצופות בצפון הארץ. ואכן, למרות עונת החורף הגשומה יחסית שחווינו, המגמה הכוללת עבור אזור מזרח אגן הים התיכון היא התקצרות עונת החורף, הפחתה בכמות הגשמים והתחממות.

כדי למנוע מצב שבו ישראל מתייבשת שוב, הרשויות מפצירות בנו מדי כמה זמן לאמץ הרגלים לשימוש חסכני יותר במים, בין אם זה על ידי סגירת הברז בזמן צחצוח השיניים, או הגבלת זמן המקלחת לחמש דקות.

לצד צמצום השימוש האישי במים, מפותחים כיום בעולם פתרונות לייעול הצריכה והשימוש במים שישולבו במערכות המים הקיימות, כגון חסכמים, מיחזור מים אפורים ושירותים בעלי נפחי הדחה נמוכים. פתרונות אלו מציעים חיסכון במים, טיפול מקומי ושימוש חוזר במים ובחומרי ההזנה הנמצאים בשפכים.

לנוכח משבר המים העולמי, שעלול רק להחמיר לנוכח העלייה בביקוש בעקבות גידול האוכלוסייה והעלייה ברמת החיים לצד התגברות השפעות שינוי האקלים, אימוץ טכנולוגיות שכאלו הוא חיוני ויכול לאפשר חיסכון רב במי שתייה. אך על אף היתרונות הרבים שבמערכות אלו, הן עשויות לפגוע ביעילות של מערכת אחרת חשובה לא פחות, זו שרובנו מעדיפים בדרך כלל להתעלם מקיומה – מערכת הביוב.

"המעבר למערכות המשלבות פתרונות לחיסכון במים ישנה וישפיע על כמות ואיכות המים המוזרמים למערכות הביוב. לכן אני וצוות המעבדה שלי חוקרים כיצד החיסכון הזה במים משפיע על תנועה ופירוק של מוצקים בביוב וכן על היווצרות גזים רעילים בצנרות הביוב", אומרת ד"ר רוני פן מהיחידה להנדסת הסביבה, מים וחקלאות בטכניון. "השאלה הראשונה שעליה רצינו לענות, זה מה קורה למוצקים במערכת הביוב כשהזרימה נהיית חלשה יותר – איך זה ישפיע על התנועה שלהם ועד כמה הם ייתקעו בצנרת".

במורד הביוב

כאשר פן מדברת על "מוצקים", היא מתכוונת בדרך כלל לצואה. כדי לעקוב אחרי תנועת המוצקים במערכת הביוב פן גילתה לא מעט יצירתיות. כך למשל, היא וצוות המעבדה שלה השתמשו בגלילים מפלסטיק המדמים צואה, כאשר לכל גליל הוצמד סטיקלייט וברקוד. את הגלילים השליכו לתוך קו ביוב שיצא מתוך שכונת מגורים בנתניה (בתמיכת תאגיד מי נתניה). במורד הקו, כ-180 מטר מהנקודה בה הושלכו, זוהו הגלילים על ידי מצלמת אינטרנט ואנטנת RFID (אנטנה לזיהוי באמצעות תדרי רדיו). פן מסבירה כי כך יכלו לעקוב אחר כל מוצק ולדעת בדיוק מתי הוא מגיע. היא מציינת גם כי "בכל הקו הזה של ה-180 מטר לא היו עוד כניסות של שפכים. הספיקות, מהירויות הזרימה וגובה המים שמדדנו במעלה היו תקפות גם למורד".

על הניסוי הזה הם חזרו מספר פעמים בשעות שונות במהלך אותה יממה, על מנת לבדוק את התנועה בספיקות שונות. לדברי פן, במהלך היום הזרימה בביוב אינה קבועה. "בשעות הבוקר והערב רואים 'פיקים' בזרימה, כלומר ספיקות זרימה גבוהות, ואילו בלילה ובשעות אמצע היום הזרימות הרבה יותר נמוכות כיוון שיש פחות שימוש במים".

המעקב של פן אחר צואה במערכת הביוב לא נגמר כאן. בשלב הבא, כדי לבדוק כיצד הצואה מתפרקת, היא פיתחה צואה סינתטית על בסיס מתכון שפותח בנאס"א. את המחקר הזה היא בצעה במסגרת הפוסט-דוקטורט שלה ב-Eawag, מכון מחקר של ETH (המכון הטכנולוגי הפדרלי של שוויץ). את הצואה הסינתטית הכניסו לריאקטור (כלי שמתבצעת בו תגובה כימית) בעל צורת גליל, המדמה צינור ביוב בקוטר של 200 מילימטר. בתוך הריאקטור הם יצרו ערבול של המים, שוב בדומה למתרחש בצינור ביוב אמיתי. הערבול של המים יוצר כוחות שפועלים על המוצק וגורמים לפירוקו, שבשפה המקצועית קרויים "מאמצי גזירה".

החוקרים עקבו אחר פירוק המוצקים הסינתטיים בריאקטור במהירויות זרימה שונות, וראו שככל שמהירויות הזרימה נמוכות יותר, כך קצב פירוק המוצק קטן. "ככל שמהירות הזרימה קטנה יותר כך גם מאמצי הגזירה קטנים יותר, לכן ככל שמיושמים יותר פתרונות לייעול השימוש במים, כך אנחנו מצפים שהזרימות ירדו ולכן גם מאמצי הגזירה ירדו", מסבירה פן.

על סמך תוצאות הניסוי הזה הם פיתחו מודל סטוכסטי (כזה שבודק תהליך שהתפתחותו תלויה בגורמים מקריים ובו ממצב התחלתי אחד נתון של מערכת הניסוי – יכולים להתקבל מספר מצבים שונים אליהם יכולה המערכת להגיע) של פירוק הצואה כתלות במאמץ הגזירה. המודל הסטוכסטי מאפשר לקחת בחשבון את כל הגורמים השונים והרבים שיכולים להשפיע על הפירוק, ולתת טווח הסתברותי של קצב הפירוק כתלות במאמץ גזירה מסוים.

כדי לוודא שהתוצאות שהתקבלו בניסוי והמודל הסטוכסטי שפותח על פיהן אכן אמינים, הם הושוו לתוצאות של פירוק צואה אמיתית, ולשמחתה הרבה של פן, הם ראו שהתוצאות אכן נופלות בטווח החיזוי של המודל. "זאת אומרת שהמוצקים הסינתטיים הם מספיק טובים לניסויים האלה, כך שאני יכולה גם בעתיד לקחת את המוצקים הסינתטיים ולהשתמש בהם במקום בצואה אמיתית".

הרתיעה של פן מהתעסקות בצואה אמיתית לצורך הניסויים מובנת מאליה, אך לצערה היא הייתה חייבת להתמודד עם האתגר הזה. כדי לקבל ולידציה של המודל היא הייתה חייבת לחזור על הניסוי של הצואה הסינטטית, רק הפעם עם הדבר האמיתי.

פרסום

פחות מים, יותר מוצקים

פן והצוות שלה רצו לבדוק כיצד החיסכון במים ישפיע על הצטברות של מוצקים והיווצרות של מימן גופרתי (S₂H), שהוא גז רעיל מאוד, בקווי צנרת הביוב. לשם כך, הם עשו שימוש במודל של רשת ביוב אמיתית של עיר במרכז הארץ, שנותנת מענה לאוכלוסייה בסדר גודל של כ-15,000 איש.

על המודל הזה הם הריצו מספר תרחישים, שבהם הם שולטים בהורדה של הספיקות, בריכוזים הולכים וגדלים של החומר האורגני (ככל שפחות מים מוזרמים בביוב, כמות החומר האורגני אמנם נותרת כמעט כפי שהייתה בעבר, אך ריכוזה עולה). פרמטר נוסף שנלקח בחשבון, היות שהוא בעל השפעה על התהליכים הביוכימיים של פירוק החומרים האורגניים, הוא הטמפרטורה. בניסויים שהורצו במודל הם התייחסו לשלוש טמפרטורות שונות – 10, 20 ו-30 מעלות צלזיוס. "הרצנו תרחישים שונים, והסתכלנו איפה אנחנו צופים שיצטברו מוצקים ואיפה אנחנו צופים שיהיו לנו בעיות של היווצרות מימן גופרתי, וראינו שככל שמורידים את כמות המים יש יותר מוצקים שמצטברים, ורוב ההצטברות הייתה במעלה של הרשת. כך למשל, התוצאות הראו שכאשר יש ירידה של כ-50 אחוז בספיקות המים, ב-30 אחוז מהקווים נצפתה הצטברות של מוצקים, בעיקר במעלה הזרם", מתארת פן.

במודל, כאמור, הם בחנו גם את היווצרותו של הגז מימן גופרתי, שמעבר לעובדה שהיווצרותו גורמת לבעיית ריח באזורי מגורים, הוא גם רעיל מאוד, ובריכוזים גבוהים גורם לעילפון. נוסף על כך הוא יכול לגרום להיווצרות חלודה במערכת הביוב. "ראינו שרק בתרחישים מאוד קיצוניים הייתה היווצרות שלו. כאשר הטמפרטורות נמוכות ולא הייתה ירידה בספיקות בכלל לא ראינו היווצרות שלו. ב-30 מעלות, ברוב התרחישים קיבלנו שבמעל 30 אחוז מהקווים תהיה הצטברות מימן גופרתי. כלומר, היווצרות מימן גופרתי היא פחות רצינית מבעיית הצטברות המוצקים".

לדברי פן, המחקר שלה הוא רק בתחילתו, ובשלבים הבאים של המחקר הם ינסו לשפר את המודל, כדי להבין טוב יותר מה קורה למוצקים ברשתות הביוב, איך הם מצטברים, כולל מוצקים אחרים כמו מגבונים ושומנים שמוצאים את דרכם למערכת הביוב שלנו. "אני מקווה שבעתיד עם עוד מחקר, אני אגיע למודלים כלליים יותר שיוכלו לסייע בקבלת החלטות לגבי מיקום של מערכות חיסכון במים, כך שהשפעתן על רשת הביוב הקיימת תהיה מינימלית ככל האפשר", היא מסכמת.